三相四桥臂逆变器优化宽调制系统及方法

技术领域

本发明属于逆变器脉宽调制技术领域，具体涉及一种三相四桥臂逆变器优化宽调制系统及方法。

背景技术

能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进步，都离不开能源的改进和更替。节能环保将是人类可持续发展、避免灾难性气候变化的重要选项。当今世界电力能源的使用约占总能源的40％。

在用电侧，电机(尤其是三相电机)是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。例如，据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的60％～70％。目前世界各国约90％电动机械采用异步电动机，其中小型异步电动机约占70％以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占很大的比重。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。然而大量的工业设备如风机、泵类设备以及传统的工业缝纫机、机械加工设备等，多采用异步电动机恒速传动的方案运行，导致交流电动机效率普遍较低。而且在工业缝纫机、机械加工设备中，往往采用离合器、摩擦片调节速度，造成大量的待机损耗和制动能耗。如果采用基于电力电子逆变器的变频调速装置来驱动电机设备，工业用户至少能在现有基础上节省电能18％以上。因此世界多国和我国均在积极鼓励工业企业推广变频调速等先进手段实现节能，与此同时还能够显著提高电力传动设备的工作性能。此外以电动汽车为代表的移动设备也依赖逆变器接口连接电网，从而进行充放电。

在发电侧，采用清洁可再生能源(包括风能、太阳能、氢能等)发电，是世界各国保证能源安全、减少碳排放并避免全球气候变暖的重要手段。近十多年来，我国的能源结构不断提升优化，清洁能源(包括风能、太阳能、氢能等)开发利用比重迅速提高。无论是并网发电还是离网发电，电力电子逆变器均是清洁能源发电不可或缺功率接口，是充分且高质量地开发利用清洁能源的关键设备。

在中大功率应用场合，三相电压型逆变器是进行电机调速、利用清洁能源供电等的核心部件，其调制和控制方案对电机调速系统、清洁能源发电系统的运行性能、可靠性和安全性具有决定性的影响。作为三相电压型逆变器，三相四桥臂电压型逆变器可以按照实际需要，灵活地提供三相四线、三相三线甚至单相功率接口，通过控制辅助桥臂N，还可以灵活应对三相负载不平衡问题，并改善逆变器系统电磁兼容性能和可靠性等，已广泛应用于电动汽车充放电、新能源并网发电以及电机驱动等场合。目前的三相四桥臂电压型逆变器多采用脉宽调制技术实现对输出电压或电流的准确控制，采用单载波的常规脉宽调制方法(如正弦脉宽调制、空间电压矢量调制等)的逆变器用于驱动星型连接的三相负载(尤其是三相平衡的异步电机)或变压器时，会造成星型连接中性点的共模扰动电压的幅值高达逆变器直流母线电压的一半，将带来较为严重的中性点对地漏电流等电磁干扰和绝缘性能下降等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种三相四桥臂逆变器优化宽调制系统及方法，大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰。

本发明采用的技术方案是：一种三相四桥臂逆变器优化宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：

A.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；

B.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；

C.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；

D.根据三相电流控制量计算得出偏置量，并将计算生成的偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；

E.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；

F.将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行；

G.选取N桥臂脉宽调制的载波信号；

H.将偏置量作为N桥臂调制信号与N桥臂载波信号进行比较，得到控制N桥臂开关通断的脉宽信号。

上述技术方案中，所述步骤E中所述的三相载波信号由两路载波信号源组合形成；两路载波信号源由同频率而相位相差180度的双极性三角形或锯齿型的载波1和载波2组成。

上述技术方案中，所述步骤E具体包括以下步骤：将三相电流控制量按各相控制量数值大小进行高低排序，确定控制量的分组类型，然后针对控制量的分组类型，通过查表从载波选取表1或载波选取表2中变化选取得到三相载波。

上述技术方案中，所述载波选取表1的判断逻辑如下：

当v

当v

当v

当v

当v

当v

所述载波选取表2的判断逻辑如下：

当v

当v

当v

当v

当v

当v

上述技术方案中，所述步骤D中，采用所述三相电流控制量v

v

其中，max(v

所述三相电流控制量v

其中，v

上述技术方案中，所述步骤F中，将三相调制信号和对应的三相载波信号相减得到三相差值信号；所述的三相差值信号与零进行比较；当任一相差值信号大于等于零时，所产生的开关驱动信号S*+＝1，将开通相应相桥臂的上桥臂且断开下桥臂；反之，当任一相差值信号小于零时，所产生的开关驱动信号S*+＝0，将断开相应相桥臂的上桥臂且开通下桥臂；其中*为A或B或C，SA+指A相桥臂的开关驱动信号，SB+指B相桥臂的开关驱动信号，SC+指C相桥臂的开关驱动信号。

上述技术方案中，当逆变器以三相四桥臂方式运行时，所述的偏置量将作为N桥臂的调制信号，N桥臂的载波信号从载波1和载波2任选其一，将N桥臂的调制信号和N桥臂的载波信号相减得到N桥臂的差值信号；所述的三相差值信号与零进行比较；当N桥臂的差值信号大于等于零时，开通相应N桥臂的的上桥臂且断开器下桥臂；反之，当N桥臂的差值信号小于零时，断开N桥臂的的上桥臂且开通其下桥臂。

上述技术方案中，当逆变器以三相三桥臂方式运行时，N桥臂的所有开关均设置为关断。

本发明提供了一种三相四桥臂逆变器优化宽调制系统，其特征在于包括电流控制器、偏置量计算模块和脉宽控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量；电流控制器输出三相电流控制量至偏置量计算模块；偏置量计算模块根据三相电流控制量计算生成偏置量；三相电流控制量和偏置量相加计算生成三相调制信号并输出至脉宽控制器脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号。

上述技术方案中，还包括N桥臂比较器，偏置量计算模块输出偏置量至N桥臂比较器，N桥臂比较器的输入端还接入有N桥臂的载波信号，N桥臂比较器将偏置量作为N桥臂调制信号与N桥臂载波信号进行比较，得到控制N桥臂开关通断的脉宽信号。

本发明的有益效果是：本发明为三相四桥臂逆变器提供了一种优化脉宽调制方案，所述的优化脉宽调制方法在调制信号方面与常规的空间电压矢量调制等效，具有线性调制范围宽、直流母线电压利用率高以及输出电流波形质量好等优点。当逆变器以三相四桥臂方式运行时，与常规的单载波三维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法采用变载波信号，能将三相星型连接的负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值由直流母线电压的一半减少为四分之一，从而大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等问题；此外，通过直接关断N桥臂且其余三相的控制方法保持不变，所述的逆变器可由三相四桥臂模式直接转化为三相三桥臂模式运行，与常规的单载波二维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法能将负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值少为直流母线电压的六分之一，同样大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰。

附图说明

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为三相四桥臂电压型逆变器示意图；

图3为载波信号示意图1；

图4为载波信号示意图2；

图5为载波选取表1示意图；

图6为载波选取表2示意图；

图7为具体实施例的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种三相四桥臂逆变器优化宽调制系统，其特征在于包括电流控制器、偏置量计算模块和脉宽控制器；三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值和输出电流的瞬时值输入至电流控制器；电流控制器根据电流偏差计算出三相电流控制量；电流控制器输出三相电流控制量至偏置量计算模块；偏置量计算模块根据三相电流控制量计算生成偏置量；三相电流控制量和偏置量相加计算生成三相调制信号并输出至脉宽控制器；脉宽控制器的输入端接有三相载波信号；脉宽控制器内部的比较器将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较，生成得到三相桥臂的驱动信号。还包括N桥臂比较器，偏置量计算模块输出偏置量至N桥臂比较器，N桥臂比较器的输入端还接入有N桥臂的载波信号，N桥臂比较器将偏置量作为N桥臂调制信号与N桥臂载波信号进行比较，得到控制N桥臂开关通断的脉宽信号。

本发明的目的是为三相四桥臂电压型逆变器提供一种优化脉宽调制方法，一方面，根据A、B、C三相控制量的状态，采用所提供的载波选择算法选用变化的A、B、C三相载波信号，所述的三相载波信号由两路同频相角差为180度的载波信号源变化组合而成；另一方面采用A、B、C三相控制量按照给定的公式实时生成偏置量，所述的偏置量注入到三相控制量得到A、B、C三相调制信号。所述的优化脉宽调制方法在调制信号方面与常规的空间电压矢量调制等效，具有线性调制范围宽、直流母线电压利用率高以及输出电流波形质量好等优点。以三相四桥臂方式运行时，与常规的单载波三维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法采用变载波信号，能将三相星型连接的负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值由直流母线电压的一半减少为四分之一，从而大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等问题；此外，通过直接关断N桥臂且其余三相的控制方法保持不变，所述的逆变器可由三相四桥臂模式直接转化为三相三桥臂模式运行，与常规的单载波二维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法能将负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值由直流母线电压的一半减少为六分之一，同样大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等风险。

本发明采用的技术方案是：一种三相四桥臂逆变器优化宽调制方法，其特征在于包括以下步骤：

A.获取逆变器的三相输出正弦电流期望值，并实时采样逆变器的三相输出电流瞬时值；

B.在每个控制采样周期内将逆变器的三相电流期望值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值；

C.根据三相电流偏差值计算出三相电流控制量；

D.根据三相电流控制量计算得出偏置量，并将计算生成的偏置量注入各相控制量以获得三相调制信号；

E.根据三相电流控制量选取脉宽调制所需的三相载波信号；

F.将所输入的各相调制信号和相应的各相载波信号进行比较以生成得到脉宽变化的三相方波信号，将三相方波信号用于控制逆变器电路的三相桥臂通断运行；

G.选取N桥臂脉宽调制的载波信号；

H.将偏置量作为N桥臂调制信号与N桥臂载波信号进行比较，得到控制N桥臂开关通断的脉宽信号。

如图2所示，本发明所述的三相四桥臂电压型逆变器包括功率变换电路、滤波电路、控制器以及三相星型负载/变压器。

所述的逆变器输出端连接有三相星型负载，该负载星型连接中性点为n。

所述功率变换电路包括并联连接的A桥臂、B桥臂、C桥臂和N桥臂，每个桥臂均上桥臂开关及下桥臂开关串联组成。所述功率变换电路输出经过所述滤波电路与三相星型负载相连。

所述控制器根据功率需求计算给出逆变器三相输出正弦电流期望值，控制器实时采样逆变器三相输出电流瞬时值，在每个采样周期将A、B、C三相期望电流值与检测到的实际瞬时电流值相减得到三相电流偏差值，然后电流控制器根据电流偏差计算出其三相电流控制量。

其中，三相电压型逆变器的各相输出电流的期望值为：

其中，

逆变器A、B、C三相期望输出电流的瞬时值分别为：

其中，I

所述控制器在每个控制周期将A、B、C三相的期望输出电流

所述三相电流控制量v

v

其中，max(v

所述三相电流控制量v

其中，v

所述三相电流控制量v

脉宽调制器将所输入的A、B、C三相调制信号和对应的三相载波信号相减得到三相差值信号。所述的三相差值信号经比较器与零进行比较，从而生成脉宽变化的三相方波信号用以控制逆变器电路的A、B、C三相桥臂的通断。在实施例中，当任一相差值信号大于等于零时，所产生的相桥臂的驱动信号将开通相应相桥臂的上桥臂且断开下桥臂；反之，当任一相差值信号小于零时，所产生的相桥臂的驱动信号将断开相应相桥臂的上桥臂且开通下桥臂。

当逆变器以三相四桥臂方式运行时，N桥臂的开关控制信号亦采用脉宽调制的方式产生：所述的偏置量v

本发明为逆变器提供了一种三相四桥臂逆变器的优化脉宽调制方法，所述的优化调制方法采用的调制信号与常规的空间电压矢量调制等效，具有线性调制范围宽、直流母线电压利用率高以及输出电流波形质量好等优点。以三相四桥臂方式运行时，与采用常规的单载波三维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法采用可变的载波信号，能将三相星型连接的负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值由直流母线电压的一半减少为四分之一，从而大大降低中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等问题。本发明按照所发现的规律采用变化的载波进行调制，在不改变常规脉宽调制方法的主要性能指标(如线性调制范围、直流母线电压利用率、输出电压/电流波形质量、开关损耗等)的前提下，显著减少星型连接的三相负载/变压器的中性点共模电压扰动。此外，通过直接关断N桥臂且其余三相的控制方法保持不变，所述的逆变器可由三相四桥臂模式直接转化为三相三桥臂模式运行，与常规的单载波二维空间电压矢量调制相比，所述的优化脉宽调制方法能将负载/变压器中性点共模扰动电压的幅值由直流母线电压的一半减少为六分之一，从而大大降低了中性点对地漏电流所带来的电磁干扰等风险。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。